CC BY
47
УДК 681.5
Лышов С. И., Иванов И. А., Увайсов С. У.
Москва, МИЭМ ВНИУ ВШЭ
РАЗВИТИЕ МЕТОДА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ЛАТЕНТНЫХ ДЕФЕКТОВ В КОНСТРУКЦИЯХ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ
Для корректировки предложенного метода неразрушающего диагностирования дефектов БРТУ в него вносят анализ акустических сигналов конструкции при введении в нее дефектов.
Круг задач акустической диагностики:
Оценка структурных параметров технического объекта. Целью ее является измерение (оценка) структурных параметров (или иначе - параметров состояния, внутренних параметров) исследуемого объекта по характеристикам его акустического сигнала. Иногда в задачу включается и отнесение объекта с измеренными параметрами к тому или иному состоянию. Характеристики сигнала носят название информационных диагностических признаков. Естественно, что измеряемые структурные параметры должны влиять на звукообразование внутри объекта, в противном случае их изменения не могли бы отразиться на акустическом сигнале и на акустических признаках;
Оценка запроса устойчивости, износа, надежности. Предложим, что в пространстве параметров системы а1,а2, ...,ап существует некоторая граница области допустимых режимов работы, такая что условие устойчивости работы определено неравенством вида F(a1, ..., ап)>0. Требуется оценить
величину F, которую естественно назвать запасом устойчивости, на основании анализа колебательных процессов, возникающих в системе при нормальном режиме работы;
Задачи классификации состояний. Целью задачи акустической диагностики этого класса является определение с помощью вибрационных или шумовых сигналов, в каком из нескольких возможных состояний находится исследуемый объект или какому из нескольких возможных объектов принадлежит данный акустический сигнал;
Разделение источников вибраций (шумов). Весьма важной задачей акустической диагностики является так называемая задача о разделении источников вибраций, состоящая в обнаружении источников и, быть может, в количественной оценке вклада каждого из этих источников в наблюдаемый вибрационный процесс.
В акустической аппаратуре преобразователи используются для превращения механической или электрической энергии в акустическую, излучаемую в жидкую, газообразную или твердую среду, или наоборот, для превращения акустической энергии, излучаемой этими средами, в электрическую, которая затем поступает в устройства для обработки сигналов.
Преобразователи, предназначенные для обнаружения и измерения параметров звуковых волн, называется первичным измерительным преобразователем или датчиком.
Колебания передаются в среду (воздух, воду) в виде акустической энергии, распространяемой в среде, и в различных точках среды возникает переменное звуковое давление, которое и должно восприниматься первичным преобразователем. Уровень звукового давления в определенных точках зависит от мощности источника, условий распространения (интенсивности звука в определенном направлении) и расстояния до источника.
Уровень сигналов на выходе приемника будет зависеть еще и от шумов окружающей среды и технических характеристик приемника. Конструкции приемников звука различны для газов, жидкостей и твердых тел. При равной интенсивности давления звука в воздухе на три порядка меньше, чем в воде. Поэтому чувствительность шумовых приемников в воздухе должна быть значительно выше, чем в воде.
Микрофон преобразует акустическую энергию - колебания давления - в электрическую. Это преобразование можно осуществить различными способами.
По способу преобразования микрофоны делятся на электродинамические, угольные, пьезоэлектрические и электростатические. Микрофоны характеризуются рядом параметров, основные из которых приведены в табл. 1.
Чувствительность микрофона (1) А [В/Па] определяется отношением напряжения к воздействующему на мембрану звуковому давлению:
А = -. (1) v
В некоторых случаях чувствительность микрофона определяют отношением напряжения, которое получают на нагрузке, по крайней мере, в три раза больше внутреннего сопротивления микрофона на частоте 1000 Гц, к звуковому давлению на его мембрану.
Таблица 1
Виды микрофонов и их параметры
Тип микрофона Диаметр, мм Частотный диапазон, Гц Чувствите- льность, мВ/Па Область применения
Конденсатор- ный 3-25 0,01-140 000 1-50 Проведение точных измерений, шумометрия, аудиометрия, звукозапись (требует дополнительной аппаратуры)
Электродина- мический 30-40 30-20 000 2 Сравнительные измерения, измерение слабых шумов (низкий уровень собственных шумов)
Пьезоэлек- трический 20-45 3-10 000 (для воздуха) 0,1-200 000 (для воды) 3 0,035-0,3 Шумометрия (при температуре до 120°С) Гидроакустика
Чувствительность микрофона (2) LA в децибелах - отношение чувствительности определенного микрофона А к чувствительности Ар=1 В/Па, принятой за репер:
LA = 2 0lg(-f) = 2 0 IgA (2)
Чувствительная характеристика микрофона представляет собой зависимость чувствительности от частоты. Существуют граничные частоты /н и /в, за пределами которых чувствительность микрофона
мала. Частотный диапазон заключенный между /Н и /в (10-16дБ), называется рабочим диапазоном микрофона.
Акустическое поле источников шума создает в различных направлениях давление разного уровня, и микрофоны имеют различную чувствительность в различных направлениях, поэтому обычно вводят характеристику направленности, т.е. зависимость чувствительности микрофона от угла между нулевой осью микрофона и направлением на источник звука.
Нормированная характеристика направленности (3) G0(9) определяется отношением чувствитель-
ности А0 при определенном угле к чувствительности АО (при 9=0) при постоянной частоте и давлении:
G 0( в )=—,р = с onst и f = с ons t. (3)
На плате используется также уровень нормированной характеристики (4) направленности в децибелах:
LG0( в) = LAв-LA0 = 2 OlgQ. (4)
В паспортах на микрофоны могут приводиться масса, габаритные размеры, собственный шум микрофона (в основном это тепловой шум электроцепей микрофона и флуктуации атмосферного давления) и т.п.
При приеме шумовых сигналов, как правило, решаются две измерительные задачи: определение максимального уровня шума; выявление источников шума и определение уровня их шумов.
Первая задача решается с помощью довольно простых шумомеров, для решения второй задачи используются различные акустические системы. Так как конфигурация шумящих механизмов различна, не говоря уже о специфических характеристиках и размерах элементов РЭА, излучающих шум, могут быть приведены лишь общие рекомендации по измерению шума различных объектов.
Как известно, суммарное звуковое поле (так называемое дальнее поле) источника формируется на расстоянии превышающих отношение L2/A, где L - габаритный размер источника; А - длина звуковой волны. Если средние габаритные размеры источника шума 1-1,5 м, то для верхней границы частотного диапазона (для частот 3-5 кГц) получим минимальное расстояние для дальнего поля 1030 м. В то же время для нижних частот звукового диапазона суммарное поле формируется вблизи шумящего объекта. Поэтому обеспечить измерение шумов в условиях дальнего поля во всем диапазоне частот не представляется возможным. Кроме того, размеры реальных размеров источника меньше размеров блока, в который они входят.
Практически, при измерении в широком диапазоне частот невозможно определить точно: в ближней или в дальней зоне проводить измерения. Как известно, в дальней зоне уровень шума пропорционален расстоянию от источника, тогда как в ближней зоне наблюдаются нерегулярные колебания в известных пределах уровней звукового поля в различных точках. Для получения более надежных результатов измерения следует проводить в ряде точек вокруг шумящих объектов с помощью микрофонов, имеющих направленную характеристику.
Рис. 1. Блок-схема метода с добавлением акустики
В усовершенствованном методе анализируются три вида диагностических признаков: 1) электри-
ческие характеристики; 2) механические амплитудно-частотные характеристики; 3) акустические сигналы. Это позволяет выявлять скрытые дефекты, возникающие в конструкциях БРТУ и влияющие на надежность и функционирование устройства.
Математическая модель БРТУ (рис. 1 бл. 6) наследуется с расчетов электрических и механических режимов работы на этапе проектирования.
Для расчета U(t), А(о) (АЧХ) и ( ) (АС) формируется список дефектов qj (рис. 1 бл. 9) и допуски на параметры Q (рис. 1 бл. 10). Допуски на параметры необходимы для расчета порогового значения выходной характеристики. Для этого при расчете (рис. 1 бл. 7) используется численный метод Монте-Карло. Рассчитанные в блоке 7 характеристики, соответствующие различным неисправностям, записываются в базу неисправностей (БН) в виде функций U( t), А( со ) и В( оо ).
При диагностировании на БРТУ (бл. 2) подаются тестовые электрические сигналы (бл.3) и механические воздействия (бл.1). Далее в контрольных точках измеряются напряжения U(t).
В местах крепления электрических, механических и акустических датчиков измеряются электрические ( ), механические амплитудно-частотные ( ) и акустические ( ) характеристики. В блоке предварительной обработки (рис. 1 бл. 8) полученные характеристики интерполируются и приводятся к единой частотной сетке. Временные диаграммы (АС и ускорения при ударе) проходят Фурье преобразование, интерполяцию и приводятся к единой частотной сетке.
Для диагностирования дефектов по акустическим характеристикам была разработана методика диагностирования (рис. 2.).
Рис.2. Алгоритм диагностирования БРТУ по акустическим характеристикам
Предложенное усовершенствование метода позволяет расширить круг выявляемых дефектов и снизить вероятность перехода устройства в отказовое состояние.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иванов И.А., Увайсов С.У., Кошелев Н.А. Методика обеспечения диагностируемости электронных средств космических аппаратов по ранговому критерию на ранних этапах проектирования // Качество. Инновации. Образование. 2012. № 1. С. 60-62.
2. Увайсов С.У., Абрамешин А.Е., Лышов С.М., Дубоделова Д.А. Обеспечение эксплуатационной надежности космической аппаратуры неразрушающими методами виброударной диагностики // В кн.: Надежность и качество-2012: труды Международного симпозиума: в 2-х т. / Под общ. ред.: Н.К. Юрков. . Т. 2. Пенза: Пензенский государственный университет, 2012. С. 454-456.
3. Вибрационная диагностика. Измерительная информация. Анализ и первичная обработка [Текст]
: разговорник / А.Г.Толстов. - М. : [б. и.], 2001. - 62 с. : ил. - (Газовая пром-сть.Серия.Транспорт и подземное хранение газа:Обзор.информ. / Информ.-реклам.центр газовой пром-сти). - 160 экз. - Б. ц.
4. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник В. В. Клюев и др. -М.: Машиностроение, 1995.-487 с.
5. Млицкий В.Д., Беглария В.Х., Дубицкий Л.Г. Испытание аппаратуры и средства измерений на воздействие внешних факторов. М.: Машиностроение, 2003 - 567 с
6. Лышов С.М., Иванов И.А., Увайсов С.У. Экспериментальные исследования возможности вибродиагностики аппаратуры встроенными источниками колебаний // В кн.: Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий: материалы международной научно-технической конференции / Отв. ред.: И.А. Иванов; под общ.ред.: С.У. Увайсов. М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2012. С. 272-274.
7. Иванов И.А., Увайсов С.У., Кошелев Н.А. Методика обеспечения диагностируемости электронных средств космических аппаратов по ранговому критерию на ранних этапах проектирования // Качество. Инновации. Образование. 2012. № 1. С. 60-62.
8. Юрков, Н.К. Алгоритм проведения проектных исследований радиотехнических устройств опытно-теоретическим методом / А.В.Затылкин, И.И.Кочегаров, Н.К. Юрков //Надежность и качество: Труды международного симпозиума. В 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. Пенза: Изд-во Пенз. гос. унта, 2012. Том 1, С. 365-367
